DE19701334C2

DE19701334C2 - With the second harmonic imaging converter

Info

Publication number: DE19701334C2
Application number: DE19701334A
Authority: DE
Inventors: William J Ossmann; Larry Pendergrass; Martin K Mason
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1996-03-26
Filing date: 1997-01-16
Publication date: 1999-06-10
Anticipated expiration: 2017-01-17
Also published as: JPH1023598A; US5825117A; DE19701334A1

Description

Die Erfindung ist auf die medizinische Bildverarbeitung und insbesondere auf einen Wandler gerichtet, der bei einer er sten Harmonischen sendet und überwiegend bei einer zweiten Harmonischen empfängt.The invention is related to medical imaging and in particular directed to a transducer that he sends the most harmonics and predominantly with a second Receives harmonics.

Ultraschallwandler werden bei einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, bei denen es erwünscht ist, das Innere eines Ob jekts mit einem minimalen Eindringgrad zu betrachten. Bei spielsweise können bei medizinischen Anwendungen viele dia gnostische Informationen von einer Ultraschallabbildung des Inneren eines menschlichen Körpers erhalten werden. Folglich haben Ultraschallabbildungsgeräte, einschließlich der Ultra schallsonden und der zugeordneten Bildverarbeitungsgeräte, eine weit verbreitete medizinische Verwendung gefunden.Ultrasonic transducers are used in a variety of applications used where it is desired to cover the inside of an ob project with a minimal degree of penetration. At for example, many dia Gnostic information from an ultrasound image of the Be preserved inside a human body. Hence have ultrasound imaging devices, including the Ultra sound probes and the associated image processing devices, found widespread medical use.

Bei einigen medizinischen Ultraschallanwendungen kann die Abbildung des Bluts durch die Injektion eines Kontrastmit tels, das aus mikroskopischen Bläschen oder Teilchen be steht, gesteigert werden. Einige Kontrastmittel weisen die Eigenschaft auf, daß sie, wenn sie bei einer bestimmten Fre quenz f bestrahlt werden, ein starkes Signal bei der zweiten Harmonischen dieser Frequenz, d. h. bei 2f, zurückstrahlen. Da sich diese Frequenz der zweiten Harmonischen von normalen Gewebeechos unterscheidet, wird der Bildkontrast zwischen dem Gewebe, das mit Blut durchtränkt ist, und dem Gewebe, das nicht durchtränkt ist, durch eine frequenzselektive Fil terung und Verarbeitung gesteigert. Dies ist als die Abbil dung mit der zweiten Harmonischen bekannt.In some medical ultrasound applications, the Illustration of the blood by injection of a contrast medium means that be made of microscopic bubbles or particles stands, be increased. Some contrast agents have the Property on that when they at a certain Fre quenz f are irradiated, a strong signal at the second Harmonics of this frequency, i. H. at 2f, reflect back. Because this second harmonic frequency is different from normal Tissue echoes differ, the image contrast between the tissue soaked in blood and the tissue that is not soaked through a frequency selective fil aging and processing increased. This is called the Abbil with the second harmonic.

Ein Hindernis bei der Verwendung von Kontrastmitteln für die Abbildung mit der zweiten Harmonischen besteht in der Unter drückung der Sendeenergie bei der Frequenz der zweiten Har monischen von einem Wandler, der in der Lage ist, bei dieser Frequenz zu empfangen. Ein herkömmlicher Ultraschallwandler, der in der Lage ist, die zweite Harmonische, d. h. 2f, zu empfangen, wird auch ein starkes Signal bei 2f senden. Dies stellt ein Problem dar, da Reflexionen sowohl von dem durch tränkten als auch von dem undurchtränkten Gewebe von dieser 2f-Frequenz auftreten werden. Die Energie bei der Frequenz einer beliebigen Harmonischen, die gesendet wird, wird bei dieser Frequenz Gewebeechos erzeugen, welche den Kontrast mit der zweiten Harmonischen, die von den Bläschen erzeugt wird, reduzieren.An obstacle to the use of contrast media for the Figure with the second harmonic is in the sub pressure of the transmission energy at the frequency of the second har monic from a converter that is able to do this Receive frequency. A conventional ultrasonic transducer, which is capable of the second harmonic, i.e. H. 2f, too received, will also send a strong signal at 2f. This poses a problem because reflections from both the soaked as well as the impregnated tissue of this 2f frequency will occur. The energy at the frequency any harmonic that is sent is at this frequency generate tissue echoes that contrast with the second harmonic generated by the bubbles will reduce.

Der Versuch der Abbildung mit der zweiten Harmonischen ohne spezielle Wandler wirft verschiedene Probleme auf. Als er stes muß ein sehr breitbandiger Wandler verwendet werden, um sowohl bei der ersten als auch bei der zweiten Harmonischen anzusprechen. Wandler mit der erforderlichen Bandbreite sind jedoch schwierig zu entwerfen und aufzubauen, insbesondere wenn sich die Empfindlichkeit nicht verringern soll. Dies trifft insbesondere auf kleine Elemente zu, die für Sektor sonden benötigt werden. Wenn eine derartige Sonde aufgebaut ist, muß ferner beim Senden die Frequenz der zweiten Harmo nischen unterdrückt werden. Eine zusätzliche Unterdrückung wird beim Senden durch eine unterschiedliche Gewebedämpfung zwischen hohen und niedrigen Frequenzen realisiert, wobei dies bei einer flacheren Tiefe jedoch weniger effektiv ist.The attempt at mapping with the second harmonic without special converter poses various problems. When he stes a very broadband converter must be used to for both the first and the second harmonic to address. Are converters with the required bandwidth however difficult to design and build, especially if the sensitivity should not decrease. This especially applies to small elements that are relevant to sector probes are required. If such a probe is built , the frequency of the second harmonic must also be transmitted niches are suppressed. An additional suppression is when sending through a different tissue damping realized between high and low frequencies, whereby however, this is less effective at a shallower depth.

Alternativ könnte jede Sonde separate Sende- und Empfangsab schnitte beinhalten, die jeweils für unterschiedliche Fre quenzen optimiert sind. Da die Abmessungen der Wandlerele mente einer derartigen Sonde sehr stark variieren würden, sind diese aufwendig aufzubauen, wobei dieselben eine kom plizierte Anordnung innerhalb enger mechanischer Toleranzen erfordern. Alternatively, each probe could send and receive separately include cuts, each for different fre sequences are optimized. Because the dimensions of the converter element elements of such a probe would vary greatly, these are complex to build, the same a com complicated arrangement within tight mechanical tolerances require.

Die JP 4-273699 A betrifft ein Ultraschallgerät, bei dem eine Probe eine erste piezoelektrische Schicht und eine zweite piezoelektrische Schicht sowie Elektroden umfaßt. Mittels eines Schalters wird eine Treiberschaltung entweder an ein erste Paar oder an ein zweites Paar der Elektroden angelegt, wodurch die Resonanzfrequenz des Gesamtelements aufgrund der unterschiedlichen Dicken der sich ergebenden Anordnungen verändert wird.JP 4-273699 A relates to an ultrasound device in which a sample a first piezoelectric layer and a second piezoelectric layer and electrodes. Using a switch, a driver circuit is either to a first pair or to a second pair of the electrodes applied, which causes the resonance frequency of the overall element due to the different thicknesses of the resulting Orders are changed.

Aus Tietze, U., u. a.: Halbleiter-Schaltungstechnik, 5. Auf lage, Berlin, Springer-Verlag 1980, S. 399-400 ist es be kannt ist, Dioden als Schaltelemente zu verwenden.From Tietze, U., u. a .: semiconductor circuit technology, 5th on location, Berlin, Springer-Verlag 1980, pp. 399-400 it be is known to use diodes as switching elements.

Die DE 31 29 725 A1 offenbart einen Ultraschallwandler mit zumindest zwei piezoelektrischen Schichten, wobei Schalter vorgesehen sind, um die Gesamtdicke des piezoelektrischen Wandlers zu ändern, und um folglich der Resonanzfrequenz des Elements zu ändern.DE 31 29 725 A1 discloses an ultrasonic transducer at least two piezoelectric layers, with switches are provided to the total thickness of the piezoelectric To change transducer, and consequently the resonance frequency of the Change element.

Die US-A-3971,270 betrifft ein Erfassungsmedium mit einer Mehrzahl von Erfassungseinheiten, wobei sich aus den Figuren ergibt, daß abhängig von der Mehrzahl der jeweiligen Schichten spezifische Konfigurationen für die elektrische Verbindung derselben möglich sind.US-A-3971.270 relates to a detection medium with a A plurality of detection units, with the figures reveals that depending on the majority of each Layers specific configurations for the electrical Connection of the same are possible.

Die DE 25 37 760 A beschreibt einen piezoelektrischen Motor, bei dem das piezoelektrische Element zumindest zwei piezo elektrische Schichten mit vorbestimmter Polarität aufweist, die entsprechend über Treiberschaltungen betrieben werden.DE 25 37 760 A describes a piezoelectric motor, in which the piezoelectric element has at least two piezo has electrical layers with a predetermined polarity, which are operated accordingly via driver circuits.

Die DE 28 56 508 A offenbart einen piezoelektrischen Wand ler, der zwei piezoelektrische Schichten aufweist, die elek trisch mit einer Treiberschaltung verbunden sind, wobei zwischen der Treiberschaltung und dem Wandlerelement eine Mehrzahl von Dioden vorgesehen sind. Diese Dioden dienen nicht zum Betrieb der jeweiligen Schichten in zwei unter schiedlichen Moden.DE 28 56 508 A discloses a piezoelectric wall ler, which has two piezoelectric layers, the elek trically connected to a driver circuit, wherein between the driver circuit and the converter element A plurality of diodes are provided. These diodes serve not to operate the respective shifts in two below different fashions.

Die US-A-5,452,265 betrifft eine aktive Impedanzmodifika tionsanordnung zum Steuern einer Geräuschwechselwirkung, welche es ermöglicht, eine Wechselwirkung eines Geräusches oder von Schallwellen mit einer Strukturoberfläche zu steuern, so daß Reflexionen von der Oberfläche im wesent lichen reduziert oder eliminiert werden.US-A-5,452,265 relates to an active impedance modifier tion arrangement for controlling a noise interaction, which enables an interaction of a sound or of sound waves with a structured surface control so that reflections from the surface essentially be reduced or eliminated.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten und vereinfachten Wandler zu schaffen, der bei zwei unterschiedlichen Frequenzen wirksam ist. The object of the present invention is a to create an improved and simplified converter which at two different frequencies is effective.

Diese Aufgabe wird durch einen piezoelektrischen Wandler ge mäß Anspruch 1 und 11, und durch einen Wandler gemäß An spruch 12 gelöst.This task is accomplished by a piezoelectric transducer according to claims 1 and 11, and by a converter according to An saying 12 solved.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie einen mit der zweiten Harmonischen Wandler schafft, der ferner in der Lage ist, als Standardabbildungssonde mit vol ler Apertur betrieben zu werden.An advantage of the present invention is that it creates one with the second harmonic converter that is also able to be used as a standard imaging probe with vol aperture to be operated.

Ein mit einer Harmonischen abbildender Wandler ist eine Struktur aus zwei mechanisch gekoppelten piezoelektrischen Schichten. Diese piezoelektrische Zweischichtstruktur kann entweder in einem symmetrischen Modus, bei dem sich die bei den Schichten im Einklang ausdehnen und zusammenziehen, oder in einem anti-symmetrischen Modus schwingen, bei dem sich eine Schicht zusammenzieht, während sich die andere Schicht ausdehnt. Schwingungen des symmetrischen Modus ergeben sich bei einem Betrieb mit einer ersten Harmonischen, während sich Schwingungen des anti-symmetrischen Modus bei einem Be trieb mit einer zweiten Harmonischen ergeben.A transducer with a harmonic imaging is one Structure made of two mechanically coupled piezoelectric Layers. This piezoelectric two-layer structure can either in a symmetrical mode, in which the at expand and contract the layers in unison, or swing in an anti-symmetric mode where one layer contracts while the other layer expands. Vibrations of the symmetrical mode result when operating with a first harmonic while vibrations of the anti-symmetrical mode in a loading drifted with a second harmonic.

Ein Träger ist neben einer piezoelektrischen Struktur posi tioniert, die eine erste und eine zweite Schicht aus einem piezoelektrischen Material aufweisen kann, zwischen denen mindestens eine Elektrode angeordnet ist. Eine oder mehrere akustische Anpassungsschichten sind über der piezoelektri schen Struktur positioniert. Ein Umschalter ist mit der pie zoelektrischen Struktur verbunden, derart, daß der Wandler bei der ersten Harmonischen arbeitet, wenn der Umschalter geschlossen ist, und der Wandler bei der zweiten Harmoni schen arbeitet, wenn der Umschalter offen ist. Bei einem be vorzugten Ausführungsbeispiel besteht der Umschalter aus zwei Dioden, die mit entgegengesetzter Polarität parallelge schaltet sind, derart, daß die starken Sendesignale bewir ken, daß die Dioden leiten, woraus sich ein Betrieb bei ei ner ersten Harmonischen ergibt, wobei die Empfangssignale jedoch nicht stark genug sind, um zu bewirken, daß die Dio den leiten, wodurch der Empfang der zweiten Harmonischen ebenso wie der ersten ermöglicht wird.A carrier is posi next to a piezoelectric structure that a first and a second layer of one may have piezoelectric material between which at least one electrode is arranged. One or more acoustic matching layers are over the piezoelectric positioned. A switch is with the pie zoelectric structure connected such that the transducer works at the first harmonic when the switch is closed, and the converter at the second harmony works when the switch is open. With a be preferred embodiment, the switch consists of two diodes that are parallelge with opposite polarity are switched such that the strong transmission signals cause ken that the diodes conduct, which results in an operation at egg ner first harmonic results, the received signals but are not strong enough to cause the Dio the conduct, whereby the reception of the second harmonic just like the first is made possible.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention are described below with reference to the accompanying Drawings explained in more detail. Show it:

Fig. 1 einen allgemeinen Aufbau eines Wandlerarrays; Fig. 1 shows a general configuration of a transducer array;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht des in Fig. 1 gezeigten Wandlerarrays; FIG. 2 is a cross-sectional view of the transducer array shown in FIG. 1;

Fig. 3A bis D Ausführungsbeispiele eines mit einer zweiten Har monischen abbildenden Wandlers; Figs. 3A to D embodiments of a monic with a second Har imaging transducer;

Fig. 4A bis B ein alternatives Ausführungsbeispiel für den mit einer zweiten Harmonischen abbildenden Wandler; FIGS. 4A to B shows an alternative embodiment for the imaging at a second harmonic converter;

Fig. 5 ein alternatives Ausführungsbeispiel für den mit einer zweiten Harmonischen abbildenden Wandler; FIG. 5 shows an alternative exemplary embodiment for the converter that images with a second harmonic; FIG.

Fig. 6 ein alternatives Ausführungsbeispiel für den mit einer zweiten Harmonischen abbildenden Wandler; FIG. 6 shows an alternative exemplary embodiment for the converter that images with a second harmonic; FIG.

Fig. 7A bis B ein alternatives Ausführungsbeispiel für den mit einer zweiten Harmonischen abbildenden Wandler; FIGS. 7A to B show an alternative exemplary embodiment for the converter which images with a second harmonic;

Fig. 8A bis B ein alternatives Ausführungsbeispiel für den mit einer zweiten Harmonischen abbildenden Wandler; Fig. 8A-B, an alternative embodiment for the imaging at a second harmonic converter;

Ein Ultraschallwandler ist eine Struktur aus zwei mechanisch gekoppelten piezoelektrischen Schichten. Diese piezoelektri sche Zweischichtstruktur kann entweder in einem symmetri schen Modus, wenn sich die beiden Schichten im Einklang aus dehnen und zusammenziehen, oder in einem anti-symmetrischen Modus schwingen, wenn sich eine Schicht zusammenzieht, wäh rend sich die andere Schicht ausdehnt. Die Schwingungen des symmetrischen Modus ergeben einen Betrieb bei einer ersten Harmonischen, während Schwingungen des anti-symmetrischen Modus einen Betrieb bei einer zweiten Harmonischen ergeben.An ultrasonic transducer is a mechanical structure coupled piezoelectric layers. This piezoelectric cal two-layer structure can either in a symmetri mode when the two layers are in line stretch and contract, or in an anti-symmetrical Mode swing when a layer contracts, wuh the other layer expands. The vibrations of the symmetric mode result in operation at a first Harmonics, while vibrations of the anti-symmetrical Mode result in operation at a second harmonic.

Dieser Ultraschallwandler sendet vorzugsweise bei der ersten Harmonischen und ist in der Lage, die zweite Harmonische zu empfangen. Zwischen den Schichten eines piezoelektrischen Materials sind leitende Kontaktschichten (Elektroden) ange ordnet. Die Elektroden sind mit zugeordneten elektronischen Komponenten und mit Signal- und Massezuleitungen von dem Ul traschallsystem verbunden.This ultrasonic transducer preferably transmits at the first one Harmonics and is able to receive the second harmonic. Between the layers of a piezoelectric Materials are conductive contact layers (electrodes) arranges. The electrodes are associated with electronic Components and with signal and ground leads from the Ul connected to the ultrasound system.

Fig. 1 stellt den allgemeinen Aufbau eines Wandlerarrays 10 dar. Das Wandlerarray 10 umfaßt eine Serie von piezoelektri schen Elementen 12, die Seite-an-Seite auf einem Träger 15 angeordnet sind. Der Träger 15 kann eine Dämpfungsschicht mit einer geeigneten akustischen Impedanz sein, um die Emp findlichkeit, die Bandbreite oder Pulslänge des Wandlers zu optimieren. Typische Arrays können mehrere zehn bis mehrere hundert Elemente umfassen, die jeweils in der y-Richtung 100 bis 600 µm breit sein können. Jedes piezoelektrische Element 12 _N ist in der x-Richtung typischerweise zwischen 0,5 und 2 cm lang. Die Elemente sind physikalisch getrennt, derart, daß sie einzeln erregt werden können. Abhängig von den Be triebsfrequenzen des Arrays können die Elemente in der z- Richtung 0,1 bis 2 mm hoch sein. Diese Elemente können bei Frequenzen von wenigen MHz bis mehreren zehn MHz arbeiten. Für einen weiten Bereich von medizinischen Anwendungen ist ein typisches Array zwischen 1 und 6 cm lang, wobei jedoch andere Anwendungen Abmessungen erfordern können, die sich außerhalb der offenbarten Bereiche befinden, die ohne weite res von Fachleuten berechnet werden können. Die Serie der piezoelektrischen Elemente 12 kann mit einer Impedanzanpas sungsschicht 16 abgedeckt sein. Fig. 1 shows the general structure of a transducer array 10. The transducer array 10 comprises a series of piezoelectric elements 12 , which are arranged side-by-side on a carrier 15 . The carrier 15 can be a damping layer with a suitable acoustic impedance to optimize the sensitivity, bandwidth or pulse length of the transducer. Typical arrays can comprise several tens to several hundred elements, each of which can be 100 to 600 μm wide in the y direction. Each piezoelectric element 12 _N is typically between 0.5 and 2 cm long in the x direction. The elements are physically separated so that they can be individually excited. Depending on the operating frequencies of the array, the elements in the z direction can be 0.1 to 2 mm high. These elements can operate at frequencies from a few MHz to tens of MHz. For a wide range of medical applications, a typical array is between 1 and 6 cm long, however other applications may require dimensions that are outside the ranges disclosed, which can be readily calculated by those skilled in the art. The series of piezoelectric elements 12 can be covered with an impedance matching layer 16 .

Alternativ können die Elemente eine Zusammensetzung eines keramischen piezoelektrischen Material in einer Polymerma trix oder ein nicht-keramisches piezoelektrisches Material anstelle eines einzigen keramischen Materials sein. Fachleu ten sind viele geeignete piezoelektrische Materialtypen be kannt.Alternatively, the elements can be a composition of a ceramic piezoelectric material in a polymer ma trix or a non-ceramic piezoelectric material instead of a single ceramic material. Specialist There are many suitable types of piezoelectric materials knows.

Fig. 2 stellt eine Querschnittsansicht des in Fig. 1 gezeig ten Wandlerarrays 10 dar. Zwischen der Serie von piezoelek trischen Elementen 12, die zwei Schichten 12 ₁, 12 ₂ eines piezoelektrischen Materials aufweisen, ist eine Serie von elektrisch leitfähigen Schichten 14 angeordnet. Eine der piezoelektrischen Schichten 12 ₁ ist zwischen elektrisch leitfähigen Kontaktschichten 14A, 14B positioniert, während die andere piezoelektrische Schicht 12 ₂ zwischen den elek trisch leitfähigen Kontaktschichten 14B, 14C positioniert ist. Die elektrische Kontaktschicht 14B, die zwischen den zwei Schichten 12 ₁, 12 ₂ des piezoelektrischen Materials po sitioniert ist, ist ausreichend dünn, damit die Ultraschall schwingungen zwischen den zwei Schichten des piezoelektri schen Materials mechanisch gekoppelt sind. Fig. 2 shows a cross-sectional view of the transducer array 10 shown in FIG. 1. Between the series of piezoelectric elements 12 , which have two layers 12 ₁ , 12 _{2 of} a piezoelectric material, a series of electrically conductive layers 14 is arranged. One of the piezoelectric layers 12 ₁ is positioned between electrically conductive contact layers 14 A, 14 B, while the other piezoelectric layer 12 _{2 is} positioned between the electrically conductive contact layers 14 B, 14 C. The electrical contact layer 14 B, which is positioned between the two layers 12 ₁ , 12 _{2 of} the piezoelectric material, is sufficiently thin that the ultrasound vibrations are mechanically coupled between the two layers of the piezoelectric material.

Dieses Wandlerarray kann in zwei unterschiedlichen Resonanz moden schwingen, welche zwei unterschiedliche Frequenzen er zeugen. Bei dem symmetrischen Schwingungsmodus dehnen sich die obere und untere piezoelektrische Schicht im Einklang aus und ziehen sich im Einklang zusammen, wobei das Array auf die gleiche Art und Weise wie eine einzige Schicht in Resonanz tritt, deren Dicke die Summe der Dicken der zwei Schichten ist. Dieser Modus zeigt eine Dickenmodusresonanz bei einer Frequenz F₁, die durch die folgende Formel be stimmt wird:
This transducer array can vibrate in two different resonance modes, which generate two different frequencies. In the symmetric mode of vibration, the top and bottom piezoelectric layers expand and contract in unison, resonating in the same way as a single layer, the thickness of which is the sum of the thicknesses of the two layers. This mode shows a thickness mode resonance at a frequency F ₁ , which is determined by the following formula:

wobei v die Schallgeschwindigkeit in den Schichten, und h die Höhe (Dicke) jeder Schicht in der z-Richtung ist.where v is the speed of sound in the layers, and h is the height (thickness) of each layer in the z direction.

Bei dem anti-symmetrischen Schwingungsmodus sind die Schwin gungen in den zwei Schichten zueinander gegenphasig, derart, daß sich die untere piezoelektrische Schicht zusammenzieht, während sich die obere Schicht ausdehnt, und sich die untere piezoelektrische Schicht ausdehnt, während sich die obere Schicht zusammenzieht. Als Ergebnis wird die Resonanzfre quenz F₂ dieses Modus durch die folgende Formel bestimmt:
In the anti-symmetric mode of vibration, the vibrations in the two layers are in phase opposition to one another such that the lower piezoelectric layer contracts as the upper layer expands and the lower piezoelectric layer expands as the upper layer contracts. As a result, the resonance frequency F _{2 of} this mode is determined by the following formula:

Es ist aus den Gleichungen, die F₁ und F₂ beschreiben, klar zu ersehen, daß F₂ zweimal F₁ ist.It can be clearly seen from the equations describing F ₁ and F ₂ that F _{2 is} twice F ₁ .

Die obige Beschreibung bezieht sich auf den Fall, bei dem die Dicken der piezoelektrischen Schichten gleich sind. Durch Auswählen unterschiedlicher Dicken für die piezoelek trischen Schichten oder durch Verwenden geradzahlig Vielfa cher der piezoelektrischen Schichten können die Verhältnisse der beiden Resonanzfrequenzen variiert werden. Fachleuten sind viele Variationen, beispielsweise bei der Größe und bei den Anwendungen dieser Wandler, bekannt. Es ist offensicht lich, daß die Resonanzfrequenz des Wandlers sowohl die Fre quenz, bei welcher die Ultraschallenergie von dem Wandler gesendet wird, als auch die Frequenz bestimmt, bei welcher die Ultraschallenergie von dem Wandler empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.The above description relates to the case where the thicknesses of the piezoelectric layers are the same. By selecting different thicknesses for the piezoelek trical layers or by using even-numbered varieties The ratios of the piezoelectric layers can change of the two resonance frequencies can be varied. Professionals are many variations, for example in size and in the applications of these converters. It is obvious Lich that the resonance frequency of the transducer both the Fre frequency at which the ultrasonic energy from the transducer is sent, as well as the frequency at which receive the ultrasonic energy from the transducer and into it electrical signal is converted.

Die Berechnung der Dicken, die erforderlich sind, um die ge wünschten Dickenmodusresonanzfrequenzen zu erzeugen, wird von Fachleuten gut beherrscht. Die Frequenz einer akusti schen Welle wird durch F = v/λ ausgedrückt, wobei v die Schallgeschwindigkeit in dem Medium, das die akustische Wel le trägt, und λ die Wellenlänge einer Welle der Frequenz F in dem Medium ist. Falls F auf die Dickenmodusresonanzfre quenz des Mediums, das die akustische Welle trägt, einge stellt ist, dann gilt außerdem F = (c/ρ)^½/2h, wobei c die Steifigkeit des Resonanzkörpers, ρ, die Dichte des Resonanz körpers, und h die Höhe des Resonanzkörpers ist. Indem mit den Materialeigenschaften des Mediums begonnen wird, können die Dicken berechnet werden, die erforderlich sind, um jede gewünschte Resonanzfrequenz zu erzeugen. Das Anwenden der obigen Gleichung und der Übertragungsleitungstheorie auf das in den Fig. 1 und 2 gezeigte Array, erzeugt jeden gewünsch ten Satz von Resonanzfrequenzen.The calculation of the thicknesses required to generate the desired thickness mode resonance frequencies is well understood by those skilled in the art. The frequency of an acoustic wave is expressed by F = v / λ, where v is the speed of sound in the medium carrying the acoustic wave and λ is the wavelength of a wave of frequency F in the medium. If F is set to the thickness mode resonance frequency of the medium carrying the acoustic wave, then F = (c / ρ) ^½ / 2h, where c is the stiffness of the resonance body, ρ, the density of the resonance body, and h is the height of the sound box. By starting with the material properties of the medium, the thicknesses required to generate any desired resonance frequency can be calculated. Applying the above equation and transmission line theory to the array shown in Figs. 1 and 2 produces any desired set of resonance frequencies.

Der Aufbau der mehrschichtigen Arrays kann durch eine belie bige bekannte Verarbeitungstechnik oder durch eine Kombina tion von bekannten Verarbeitungstechniken für Keramik oder Keramikzusammensetzungen erreicht werden. Das beschriebene Aufbauverfahren beginnt entweder mit der Herstellung eines Wafers aus Keramik oder aus einer Keramikzusammensetzung, dessen Dicke gleich der Dicke einer Schicht der gewünschten Struktur ist. Die gewünschten elektrischen Kontaktschichten können dann auf diesen Wafer Vakuum-aufgebracht, aufgedampft oder mittels Siebdruck aufgebracht werden. Zusätzliche Wafer und elektrische Kontaktschichten können ferner unter Verwen dung herkömmlicher Techniken, die Fachleuten bekannt sind, mit dieser Grundstruktur auf eine akustisch angepaßte Art verbunden werden.The structure of the multilayer arrays can be provided by a known processing technology or by a Kombina tion of known processing techniques for ceramics or Ceramic compositions can be achieved. The described The assembly process begins with the production of either Wafers made of ceramic or of a ceramic composition, whose thickness is equal to the thickness of a layer of the desired Structure is. The desired electrical contact layers can then be vacuum-deposited onto this wafer and evaporated or applied by screen printing. Additional wafers and electrical contact layers can also be used using conventional techniques known to those skilled in the art with this basic structure in an acoustically adapted way get connected.

Obwohl das beschriebene spezifische Ausführungsbeispiel die Form eines phasengesteuerten Arrays oder eines linearen Ar rays aufweist, kann eine beliebige Anzahl von Elementen, die für einen bestimmten Wandlertyp und eine bestimmte Wandler anwendung geeignet sind, verwendet werden. Beispielsweise werden Wandler häufig unter Verwendung lediglich eines ein zigen Wandlerelements aufgebaut. Das Verhalten und der Auf bau eines solchen getrennten Elements sind hinsichtlich der im vorhergehenden beschriebenen Elemente eines phasengesteu erten Arrays oder eines linearen Arrays gleich.Although the specific embodiment described describes the In the form of a phased array or a linear ar rays can have any number of elements for a certain type of converter and a certain converter are suitable for use. For example converters are often used using only one tens transducer element built. The behavior and the up Construction of such a separate element are in terms of elements of a phase control described above first arrays or a linear array.

Die Frequenzen der akustischen Resonanzen eines Wandlers werden durch die Frequenzen der symmetrischen und anti-sym metrischen Schwingungsmoden bestimmt, wie es im vorhergehen den beschrieben wurde. Ob jedoch eine bestimmte Frequenz mit den elektrischen Sende- und Empfangssignalen gekoppelt ist, wird durch die Details der elektrischen Verbindungen und der Ausrichtung der Polarisationsvektoren der piezoelektrischen Schichten bestimmt. Diese können angeordnet werden, um le diglich mit dem einen Modus oder mit dem anderen Modus oder mit einer Überlagerung der zwei Moden gekoppelt zu werden. Falls die elektrischen Verbindungen ein Umschaltelement auf weisen, kann der Wandler hergestellt werden, um in dem einen Modus zu arbeiten, wenn der Umschalter offen ist, und um in dem anderen Modus zu arbeiten, wenn der Umschalter geschlos sen ist.The frequencies of the acoustic resonances of a transducer are characterized by the frequencies of the symmetrical and anti-sym metric vibration modes determined how to proceed in the previous which has been described. However, whether a certain frequency with the electrical transmission and reception signals are coupled, is through the details of the electrical connections and the Alignment of the polarization vectors of the piezoelectric Layers determined. These can be arranged to le only with one mode or with the other mode or to be coupled with an overlay of the two modes. If the electrical connections have a switching element point, the converter can be manufactured to in one Mode to work when the switch is open and to in the other mode to work when the switch is closed is.

Typische Umschaltelemente umfassen Dioden, Feldeffekttransi storen, Varistoren und Zehnerdioden. Mehrere der Ausfüh rungsbeispiele, die im nachfolgenden beschrieben werden, weisen die erwünschte Eigenschaft auf, daß das Umschalten automatisch als Reaktion auf die relativen Pegel der Sende- und Empfangssignale durchgeführt wird, ohne daß ein separa tes Steuersignal für die Umschalter benötigt wird. Alterna tiv kann ein Wandler Elemente mit identischen physikalischen Abmessungen aufweisen, wobei jedoch ein Abschnitt der Ele mente für einen Betrieb bei F₁, und der Rest für einen Be trieb bei F₂ verbunden ist. Die Fig. 3-6 wenden sich einem mit einer zweiten Harmonischen abbildenden Wandler zu, der Elemente aufweist, die zwischen dem Betrieb bei einer ersten und einer zweiten Harmonischen umschalten. Die Fig. 7-8 wen den sich den mit einer zweiten Harmonischen abbildendem Wandlern zu, die separate Sätze von Elementen für die erste und die zweite Harmonische aufweisen.Typical switching elements include diodes, field effect transistors, varistors and tens diodes. Several of the exemplary embodiments described below have the desired property that the switching is performed automatically in response to the relative levels of the transmit and receive signals without the need for a separate control signal for the switches. Alternatively, a transducer may have elements with identical physical dimensions, but with a portion of the elements connected for operation at F ₁ and the rest for operation at F ₂ . Fig. 3-6 turn to an imaging with a second harmonic conversion which has elements which switch between the operation at a first and a second harmonic. Figs. 7-8 are dedicated to converters imaging with a second harmonic which have separate sets of elements for the first and second harmonics.

Die Fig. 3A-D stellen mit der zweiten Harmonischen abbilden de Wandler mit passiven Umschaltelementen dar. In Fig. 3A ist zu sehen, daß die untere elektrische Kontaktschicht 14A durch ein Diodenpaar 20A, 20B getrennt ist. Diese Dioden 20A, 20B leiten unter den hohen Signalpegeln beim Senden und Verbinden die untere elektrische Kontaktschicht 14A elek trisch mit der Masse. Beim Empfangen sind die elektrischen Signale nicht stark genug, um zu bewirken, daß die Dioden leiten. Somit ist die untere piezoelektrische Schicht nicht elektrisch gekoppelt. Als Ergebnis sind sowohl die symmetri schen als auch die anti-symmetrischen Schwingungsmoden mit der Empfangsschaltung gekoppelt, wobei der Wandler sowohl bei F₁ als auch F₂ wirksam empfängt.3A-D Fig. Represent the second harmonic depict de converter with passive switching elements. In Fig. 3A, it is seen that the lower electrical contact layer is 14 A separated by a pair of diodes 20 A, 20 B. These diodes 20 A, 20 B conduct under the high signal levels when transmitting and connecting the lower electrical contact layer 14 A elec trically with the ground. When received, the electrical signals are not strong enough to cause the diodes to conduct. Thus, the lower piezoelectric layer is not electrically coupled. As a result, both the symmetrical and the anti-symmetrical oscillation modes are coupled to the receiving circuit, with the converter receiving effectively at both F ₁ and F ₂ .

Eine optionale Stromquelle 12 kann parallel zu dem Dioden paar 20A, 20B plaziert sein. Wenn es erwünscht ist, sowohl F₂ beim Empfangen zu unterdrücken als auch identische Sende- und Empfangscharakteristika aufzuweisen, kann über den An schluß zwischen den Dioden 20A, 20B und der unteren elektri schen Kontaktschicht 14A ein Vorstrom zugeführt werden, um eine der Dioden 20A, 20B einzuschalten. Als Ergebnis ist die Erregung beider piezoelektrischen Schichten die gleiche, wo bei vorzugsweise der symmetrische Schwingungsmodus gekoppelt ist. Dies bewirkt, daß der Wandler bei der niedrigeren Fre quenz F₁ sowohl sendet als auch empfängt. Das elektronische Umschalten des Vorstroms kann mittels Techniken durchgeführt werden, die Fachleuten bekannt sind.An optional current source 12 can be placed parallel to the pair of diodes 20 A, 20 B. If it is desired to suppress both F ₂ on reception and to have identical transmission and reception characteristics, a bias current can be supplied via the connection between the diodes 20 A, 20 B and the lower electrical contact layer 14 A to one of the Switch on 20 A, 20 B diodes. As a result, the excitation of both piezoelectric layers is the same where preferably the symmetrical mode of vibration is coupled. This causes the converter to both transmit and receive at the lower frequency F ₁ . Electronic bias current switching can be performed using techniques known to those skilled in the art.

Fig. 3B zeigt eine geringfügige Variation gegenüber Fig. 3A, bei welcher die Signal- und Massebezeichnungen der elektri schen Kontaktschichten umgekehrt sind. Der Betrieb ist der gleiche wie in Fig. 3A. Fig. 3B shows a slight variation compared to Fig. 3A, in which the signal and mass designations of the electrical contact layers are reversed. The operation is the same as in Fig. 3A.

In Fig. 3C sind eine vierte elektrische Kontaktschicht 14D und eine elektrische Isolationsschicht 22 zwischen der unte ren piezoelektrischen Schicht 14A und der mittleren elektri schen Kontaktschicht 14B angeordnet. Diese Schichten müssen dünn genug sein, um die akustische Kopplung zwischen den piezoelektrischen Schichten zu bewahren. Die Dioden 20A, 20B sind zwischen die mittlere und die vierte elektrische Kon taktschicht 14B, 14D geschaltet, wobei die untere elektri sche Kontaktschicht 14A mit der Schaltungsmasse verbunden ist. Im Betrieb verhält sich dieser Wandler auf die gleiche Art und Weise wie die Wandler von Fig. 3A-B.In Fig. 3C, a fourth electrical contact layer 14 D and an electrical insulation layer 22 are arranged between the lower piezoelectric layer 14 A and the middle electrical contact layer 14 B. These layers must be thin enough to maintain the acoustic coupling between the piezoelectric layers. The diodes 20 A, 20 B are connected between the middle and the fourth electrical contact layer 14 B, 14 D, the lower electrical contact layer 14 A being connected to the circuit ground. In operation, this transducer behaves in the same way as the transducers of Figures 3A-B.

Fig. 3D und Fig. 3C sind annähernd gleich, mit der Ausnahme, daß die Isolationsschicht und die Dioden durch eine dünne Siliziumschicht 24 ersetzt wurden, in welcher p-Typ- und n- Typ-Regionen hergestellt wurden, um ein Diodenarray zu bil den, das die mittlere und die vierte elektrische Kontakt schicht verbindet. Der Betrieb ist zu dem von Fig. 3C iden tisch, jedoch ist die Herstellung einfacher, da weniger äußere elektrische Verbindungen zu den Kontaktschichten her gestellt werden müssen. Fig. 3D and Fig. 3C are approximately the same, except that the insulating layer and the diodes have been replaced by a thin silicon layer 24 in which p-type and n-type regions were prepared to a diode array to bil the that connects the middle and fourth electrical contact layers. The operation is identical to that of FIG. 3C, but the manufacture is simpler since fewer external electrical connections to the contact layers have to be made.

Alternativ kann die Siliziumschicht durch eine dünne Zink oxidschicht ersetzt werden. Wenn dieselbe in einer geeigne ten Art und Weise hergestellt ist, wirkt das Zinkoxid wie ein Varistor, der beidseitig leitet, wenn er hohen Spannun gen ausgesetzt ist, jedoch unter Niederspannungsbedingungen ein Isolator bleibt. Diese Eigenschaft des Zinkoxid ermög licht es, daß die Siliziumschicht in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3D durch das Zinkoxid ersetzt wird.Alternatively, the silicon layer can be replaced by a thin zinc oxide layer. When made in a suitable manner, the zinc oxide acts like a varistor that conducts on both sides when exposed to high voltages but remains an insulator under low voltage conditions. This property of the zinc oxide enables the silicon layer in the embodiment of FIG. 3D to be replaced by the zinc oxide.

Wenn es erwünscht ist, die erste Harmonische, d. h. F₁, beim Empfang zu unterdrücken, kann ein Übertrager oder ein Diffe renzverstärker verwendet werden. In den Fig. 4A-B sind zwei mögliche Verfahren gezeigt, wenn ein Übertrager 26 zum Um schalten zwischen f- und 2f-Moden verwendet wird. In Fig. 4A sind die obere und die untere elektrische Kontaktschicht 14A, 14C mit der Sekundärwicklung des Übertragers 26 verbun den, wobei die mittlere Kontaktschicht 14B geerdet ist. Die Sende/Empfangsleitung ist über ein Diodenpaar, bei dem die Dioden mit entgegengesetzter Polarität parallelgeschaltet sind, mit dem Mittelabgriff der Sekundärwicklung des Über tragers 26 und über eine Umschaltschaltung mit der Primär wicklung des Übertragers verbunden.If it is desired to suppress the first harmonic, ie F ₁ , on reception, a transmitter or a differential amplifier can be used. In FIGS. 4A-B two possible methods are shown, if a transmitter 26 for To switch between f and 2f modes is used. In Fig. 4A, the upper and lower electrical contact layer 14 A, 14 C are connected to the secondary winding of the transformer 26 , the middle contact layer 14 B being grounded. The transmit / receive line is connected via a pair of diodes, in which the diodes are connected in parallel with opposite polarity, to the center tap of the secondary winding of the transformer 26 and via a switching circuit with the primary winding of the transformer.

Eine Umschaltschaltung 28, die aus zwei Dioden 30A, 30B und einer Vorstromquelle 32 besteht, ist dargestellt, wobei je doch auch andere Einrichtungen verwendet werden können. Die Umschaltschaltung 28 muß während des Sendens ausgeschaltet und während des Empfangens eingeschaltet sein. Diese spe zielle Umschaltschaltung 28, die in Fig. 4A gezeigt ist, weist den Vorteil auf, daß das starke Sendesignal dieselbe automatisch ausschalten wird, ohne daß ein separates Steuer signal angelegt ist. Die piezoelektrischen Schichten 12 ₁, 12 ₂ sind derart polarisiert, um die elektrischen Signale des gemeinsamen Modus (d. h. Signale mit gleicher Polarität) auf der oberen und der unteren elektrischen Kontaktschicht zu den Schwingungen des symmetrischen Modus zu koppeln, und um die elektrischen Signale des Differenzmodus (d. h. Signale mit entgegengesetzter Polarität) zu den Schwingungen des anti-symmetrischen Modus zu koppeln. Die zwei Dioden 20A, 20B, die zwischen die Sende/Empfangsleitung und den Mittel abgriff der Sekundärwicklung des Übertragers 26 geschaltet sind, leiten unter den starken Sendesignalen, was eine elek trische Anregung des gemeinsamen Modus ergibt. Somit wird der symmetrische Schwingungsmodus angeregt, welcher eine Re sonanzfrequenz F₁ aufweist. Beim Empfangen sind die Signale nicht stark genug, um zu bewirken, daß die Dioden 20A, 20B auf der Sekundärseite leiten. Während des Empfangens ist je doch die Umschaltschaltung 28 auf der Primärseite einge schaltet. Somit ist es offensichtlich, daß der Übertrager 26 derart verbunden ist, um lediglich die Empfangssignale des Differenzmodus, die sich aus dem anti-symmetrischen Schwin gungsmodus bei der Frequenz F₂ ergeben, jedoch nicht die Empfangssignale des gemeinsamen Modus zu koppeln, die sich aus dem symmetrischen Schwingungsmodus bei der Frequenz F₁ ergeben.A switch circuit 28 , which consists of two diodes 30 A, 30 B and a bias current source 32 , is shown, although other devices can also be used. The switch circuit 28 must be switched off during transmission and switched on during reception. This special switching circuit 28 , which is shown in Fig. 4A, has the advantage that the strong transmission signal will automatically turn it off without a separate control signal is applied. The piezoelectric layers 12 ₁ , 12 ₂ are polarized so as to couple the electrical signals of the common mode (ie signals with the same polarity) on the upper and the lower electrical contact layer to the vibrations of the symmetrical mode, and to the electrical signals of the differential mode (ie signals with opposite polarity) to couple to the vibrations of the anti-symmetric mode. The two diodes 20 A, 20 B, which are connected between the transmission / reception line and the tap of the secondary winding of the transformer 26 , conduct under the strong transmission signals, which results in an electrical excitation of the common mode. The symmetrical oscillation mode, which has a resonance frequency F ₁ , is thus excited. When received, the signals are not strong enough to cause the diodes 20 A, 20 B to conduct on the secondary side. During reception, the switching circuit 28 is switched on on the primary side. It is thus obvious that the transmitter 26 is connected in such a way as to couple only the received signals of the differential mode, which result from the anti-symmetrical oscillation mode at the frequency F ₂ , and not the received signals of the common mode, which result from the result in symmetrical vibration mode at the frequency F ₁ .

In Fig. 4B wurde die Polarisationsrichtung einer der piezo elektrischen Schichten umgekehrt. In diesem Fall sind die Schwingungen des symmetrischen Modus mit den elektrischen Signalen des Differenzmodus gekoppelt, und die Schwingungen des anti-symmetrischen Modus sind mit den elektrischen Si gnalen des gemeinsamen Modus gekoppelt. Die mittlere elek trische Kontaktschicht 14B ist über einen Umschalter 34 mit der Masse verbunden, wobei der Umschalter 34 während des Sendens ausgeschaltet und während des Empfangens eingeschal tet ist. Dieser Umschalter kann zu dem in Fig. 4A gezeigten Umschalter ähnlich sein. Die obere Kontaktschicht 14C ist über eine Wicklung eines Übertragers 26 mit der Sende/Emp fangsleitung verbunden, wobei die untere Kontaktschicht 14A über die andere Wicklung des Übertragers 26 mit der Masse verbunden ist. Das Windungsverhältnis des Übertragers ist 1 : 1, wobei die Verbindungen derart beschaffen sind, daß die Signale des gemeinsamen Modus durchgelassen werden, während die Signale des Differenzmodus unterdrückt werden. Zwei Sät ze von Dioden 36A, 36B sind zu den Wicklungen des Übertra gers elektrisch parallelgeschaltet. Diese Dioden 36A, 36B leiten unter den Sendebedingungen mit hohem Signalpegel, wobei der Übertrager umgangen wird, und das Wandlerelement mit einem elektrischen Signal des Differenzmodus angeregt wird, welches in diesem Fall mit dem symmetrischen Schwin gungsmodus, der eine Resonanzfrequenz F₁ aufweist, gekoppelt ist. Beim Senden werden die elektrischen Signale des gemein samen Modus, welche die Frequenz F₂ anregen würden, unter drückt, indem der Umschalter, der mit der mittleren Kontakt schicht verbunden ist, offengehalten wird. Beim Empfangen ist dieser Umschalter 34 geschlossen, und die Schwingungen bei der Frequenz F₂, welche elektrische Empfangssignale des gemeinsamen Modus ergeben, werden über den Übertrager zu der Empfangsleitung durchgelassen. Die empfangenen Schwingungen bei der Frequenz F₁ ergeben elektrische Signale des Diffe renzmodus, welche durch die Wirkung des Übertragers unter drückt werden, da die Empfangssignale zu schwach sind, um die Dioden einzuschalten.In Fig. 4B, the direction of polarization of one of the piezoelectric layers has been reversed. In this case, the oscillations of the symmetrical mode are coupled to the electrical signals of the differential mode, and the oscillations of the anti-symmetrical mode are coupled to the electrical signals of the common mode. The middle elec trical contact layer 14 B is connected to the ground via a changeover switch 34 , the changeover switch 34 being switched off during transmission and switched on during reception. This switch may be similar to the switch shown in FIG. 4A. The upper contact layer 14 C is connected via a winding of a transmitter 26 to the transmission / reception line, the lower contact layer 14 A being connected to the ground via the other winding of the transmitter 26 . The turns ratio of the transmitter is 1: 1, the connections being such that the common mode signals are passed while the differential mode signals are suppressed. Two sets of diodes 36 A, 36 B are electrically connected in parallel to the windings of the transformer. These diodes 36 A, 36 B conduct under the transmission conditions with a high signal level, bypassing the transformer, and the transducer element is excited with an electrical signal of the differential mode, which in this case is supplied with the symmetrical oscillation mode, which has a resonance frequency F ₁ , is coupled. When transmitting, the electrical signals of the common mode, which would excite the frequency F _{2, are} suppressed by keeping the changeover switch, which is connected to the middle contact layer, open. When receiving, this switch 34 is closed, and the oscillations at frequency F ₂ , which give electrical reception signals of the common mode, are passed through the transmitter to the reception line. The received vibrations at the frequency F ₁ give electrical signals of the differential mode, which are suppressed by the action of the transmitter, since the received signals are too weak to switch on the diodes.

Fig. 5 stellt einen mit einer zweiten Harmonischen abbilden den Wandler dar, der einen Differenzverstärker 38 verwendet, um den Empfang der ersten Harmonischen zu unterdrücken. Der Wandler ist der gleiche, wie der, der in Fig. 3B dargestellt ist, wobei der Wandler zusätzlich den Differenzverstärker 38 und ein zweites Diodenpaar 40 aufweist. Dieses zweite Dio denpaar 40 leitet unter den Sendebedingungen mit hohem Si gnalpegel, wodurch bewirkt wird, daß die Sendesignale den Verstärker 38 umgehen, und wodurch sich ein Sendebetrieb er gibt, der der gleiche ist, wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3B, wobei lediglich die Frequenz F₁ gesendet und die Frequenz F₂ unterdrückt wird. Beim Empfangen sind die Signale nicht stark genug, um zu bewirken, daß die Dioden leiten. Die Schwingungen des symmetrischen Modus, die durch das Empfangen von Echos bei der Frequenz F₁ bewirkt werden, rufen auf der oberen und der unteren Kontaktschicht 14A, 14C Spannungen des gemeinsamen Modus hervor, während die Schwin gungen des anti-symmetrischen Modus, die durch das Empfangen von Echos bei der Frequenz F₂ bewirkt werden, auf der oberen und der unteren Kontaktschicht 14A, 14C Spannungen des Dif ferenzmodus hervorrufen. Der Differenzverstärker 38 läßt le diglich die Spannungen des Differenzmodus durch. Somit wird lediglich die Frequenz F₂ empfangen, während F₁ unterdrückt wird. FIG. 5 illustrates a converter with a second harmonic that uses a differential amplifier 38 to suppress the reception of the first harmonic. The converter is the same as that shown in FIG. 3B, the converter additionally having the differential amplifier 38 and a second pair of diodes 40 . This second pair of diodes 40 conducts under the high signal transmit conditions, causing the transmit signals to bypass the amplifier 38 and result in transmit operation that is the same as the embodiment of FIG. 3B, except that the frequency F _{1 is} sent and the frequency F _{2 is} suppressed. When received, the signals are not strong enough to cause the diodes to conduct. The oscillations of the symmetrical mode, which are caused by the reception of echoes at the frequency F ₁ , cause voltages of the common mode on the upper and lower contact layers 14 A, 14 C, while the oscillations of the anti-symmetrical mode, the caused by the reception of echoes at the frequency F ₂ , on the upper and lower contact layers 14 A, 14 C cause voltages of the dif ferential mode. The differential amplifier 38 allows le diglich the voltages of the differential mode. Thus, only the frequency F _{2 is} received while F _{1 is} suppressed.

Fig. 6 stellt einen mit einer zweiten Harmonischen abbilden den Wandler dar, der das Ultraschallsystem zum Umschalten zwischen den zwei Frequenzen verwendet. Bei diesem Ausfüh rungsbeispiel sind die getrennten Sende/Empfangsleitungen T/R₁, T/R₂ (T = transmit = senden; R = receive = empfangen) mit der oberen und der unteren elektrischen Kontaktschicht 14A, 14C verbunden, wobei die mittlere elektrische Kontakt schicht 14B geerdet ist. Die Sendesignale auf den beiden Sende/Empfangsleitungen T/R₁, T/R₂ sind identisch. Somit werden in dem Wandler Schwingungen des symmetrischen Modus angeregt, die eine Sendefrequenz F₁ ergeben. Beim Empfangen ergeben Echos bei der Frequenz F₁ Schwingungen des sym metrischen Modus, die an der oberen und der unteren elektri schen Kontaktschicht identische Spannungen erzeugen, während die Echos bei der Frequenz F₂ Schwingungen des anti-symme trischen Modus ergeben, die an den Kontaktschichten gleiche Spannungen mit jedoch entgegengesetzter Polarität erzeugen. In dem Empfangsstrahlformer des Ultraschallsystems können die Signale auf den zwei Leitungen voneinander abgezogen werden. Dies wird eine Unterdrückung der Signale bei F₁, je doch eine Verstärkung der Signale bei F₂ bewirken. Es ist nun ohne weiteres ersichtlich, daß ein Betrieb bei einer einzigen Frequenz, d. h. bei F₁ oder F₂, oder bei einer be liebigen Frequenz zwischen F₁ und F₂ möglich ist, indem die Sende- und Empfangssignale auf den zwei Sende/Empfangslei tungen zeitlich geeignet eingestellt werden. FIG. 6 illustrates a converter with a second harmonic that uses the ultrasound system to switch between the two frequencies. In this exemplary embodiment, the separate transmit / receive lines T / R ₁ , T / R ₂ (T = transmit = send; R = receive = receive) are connected to the upper and lower electrical contact layers 14 A, 14 C, the middle one electrical contact layer 14 B is grounded. The transmission signals on the two transmission / reception lines T / R ₁ , T / R ₂ are identical. Vibrations of the symmetrical mode are thus excited in the converter, which result in a transmission frequency F ₁ . When received, echoes at frequency F _{1 give} vibrations of the symmetrical mode, which generate identical voltages at the upper and lower electrical contact layers, while the echoes at frequency F _{2 give} vibrations of the anti-symmetric mode, which occur at the contact layers generate the same voltages but with opposite polarity. The signals on the two lines can be subtracted from one another in the receive beamformer of the ultrasound system. This will suppress the signals at F ₁ , but will increase the signals at F ₂ . It is now readily apparent that operation at a single frequency, ie at F ₁ or F ₂ , or at any frequency between F ₁ and F _{2, is} possible by the transmit and receive signals on the two transmit / receive lines settings are timed appropriately.

Fig. 7A und B stellen Elemente dar, welche, obwohl sie me chanisch identisch sind, derart polarisiert sind, um für ei nen Betrieb entweder bei F₁ oder bei F₂ getrennt optimiert zu sein. Bei beiden Elementen ist die Signalleitung mit der mittleren elektrischen Kontaktschicht verbunden, wobei die obere und die untere elektrische Schicht geerdet sind. FIGS. 7A and B represent elements which, although they me are mechanically identical, are polarized in such a manner as to be optimized separately for operating either when ei NEN F ₁ or F _2,. In both elements, the signal line is connected to the middle electrical contact layer, the upper and the lower electrical layer being grounded.

In Fig. 7A sind die Polarisationsvektoren in den zwei piezo elektrischen Schichten entgegengesetzt ausgerichtet. Diese Struktur ist lediglich mit den Schwingungen des symmetri schen Modus piezoelektrisch gekoppelt. Dieselbe arbeitet da her bei der Frequenz F₁. In Fig. 7B sind die Polarisations vektoren in der gleichen Richtung ausgerichtet. Diese Struk tur ist lediglich mit den Schwingungen des anti-symmetri schen Modus piezoelektrisch gekoppelt. Dieselbe arbeitet da her bei der Frequenz F₂. Nun kann für einen mit einer zwei ten Harmonischen abbildenden Wandler ein Abschnitt der Ele mente für den Betrieb bei F₁ polarisiert werden, wobei der Rest der Elemente für einen Betrieb bei F₂ polarisiert wer den kann. Diese Elemente können in verschiedenen Mustern in den Wandlern angeordnet werden. Beispielsweise kann der Wandler entweder in der x- oder y-Richtung in zwei benach barte Abschnitte geteilt werden, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, wobei jeder Abschnitt lediglich Elemente mit der glei chen Polarisation aufweist. Alternativ können die zwei Ele menttypen zwischeneinanderliegend angeordnet sein, wobei zwischen den beiden Typen abgewechselt wird. Dies ist ein wenig schwieriger herzustellen, der Wandler wird jedoch zu sammenfallende Sende- und Empfangsstrahlen aufweisen.In Fig. 7A, the polarization vectors in the two piezoelectric layers are oriented in opposite directions. This structure is only piezoelectrically coupled to the vibrations of the symmetrical mode. The same works there at the frequency F ₁ . In Fig. 7B, the polarization vectors are aligned in the same direction. This structure is only piezoelectrically coupled to the vibrations of the anti-symmetric mode. The same works there at the frequency F ₂ . Now a portion of the elements for operation at F _{1 can be} polarized for a converter with a two-th harmonic imaging, the rest of the elements being polarized for operation at F ₂ . These elements can be arranged in different patterns in the transducers. For example, the transducer can be divided into two adjacent sections in either the x or y direction, as shown in FIG. 1, each section having only elements with the same polarization. Alternatively, the two element types can be arranged between one another, alternating between the two types. This is a little more difficult to manufacture, but the transducer will have transmit and receive beams to coincide.

Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel, das in Fig. 8A und 8B gezeigt ist, können eine oder beide der piezoelektri schen Schichten durch ein elektrostriktives Material ersetzt werden. Dieser Materialtyp zeigt die Eigenschaft, daß das Material durch eine Gleichvorspannung sehr stark polarisier bar ist, wodurch piezoelektrische Eigenschaften gezeigt wer den. Die piezoelektrischen Eigenschaften dauern lediglich solange an, wie die Gleichvorspannung angelegt ist, wobei die Ausrichtung der Polarisation von der Polarität der Vor spannung abhängt. Das HF-Signal (HF = Hochfrequenz) ist ka pazitiv mit der Masse gekoppelt. Durch geeignetes Anlegen der Vorspannungen können somit beide Elementtypen, die in Fig. 7A-B gezeigt sind, hergestellt werden. Fig. 8A ent spricht Fig. 7A, und Fig. 8B entspricht Fig. 7B. Diese Ele mente können in verschiedenen Mustern angeordnet werden, wie es im vorhergehenden beschrieben ist. Zusätzlich können alle Elemente in der gleichen Richtung polarisiert sein, wenn es erwünscht ist, den Wandler in einem herkömmlichen Abbil dungsmodus entweder bei F₁ oder F₂ zu betreiben, wie es von Guraraja (U.S.P.N. 5,410,205) beschrieben ist.In an alternative embodiment, shown in FIGS. 8A and 8B, one or both of the piezoelectric layers may be replaced with an electrostrictive material. This type of material shows the property that the material is very strongly polarizable by a DC bias, which shows piezoelectric properties. The piezoelectric properties only last as long as the DC bias is applied, the orientation of the polarization depending on the polarity of the voltage before. The RF signal (HF = radio frequency) is capacitively coupled to the ground. By appropriately applying the bias voltages, both types of elements shown in FIGS. 7A-B can be produced. Fig. 8A ent speaks Fig. 7A, and FIG. 8B corresponds to Fig. 7B. These elements can be arranged in various patterns as described above. In addition, all elements can be polarized in the same direction if it is desired to operate the transducer in a conventional imaging mode at either F ₁ or F ₂ as described by Guraraja (USPN 5,410,205).

Claims

1. Piezoelectric converter ( 10 ), which is effective at two different frequencies, with the following features:
a piezoelectric arrangement with a first and a second electrode ( 14 A, 14 C), the arrangement also having the following features:
a series of N piezoelectric layers ( 12 ), the series extending from the first electrode ( 14 A) to the second electrode ( 14 C), and
a plurality of intermediate electrodes ( 14 B), each of which is disposed between adjacent piezoelectric layers, and
a transmission / reception line (T / R) which is electrically connected to the piezoelectric arrangement; and
a first switch ( 20 A, 20 B), which is electrically connected to the piezoelectric arrangement, and a switchover of the piezoelectric arrangement between a first operating mode in which the piezoelectric layers oscillate symmetrically and a second operating mode in which the piezoelectric layers ( 12 ) oscillate anti-symmetrically, where the switching only depends on the levels of the transmitted and received signals.

2. Converter according to claim 1, wherein the first switch consists of two diodes connected in parallel, one Has nodes with the piezoelectric arrangement voltage is connected, the two diodes being opposed set polarity are connected in parallel.

3. Converter according to claim 2, wherein the transmission / reception line (T / R) with at least one of the plurality of intermediate electrodes ( 14 B) is connected; and the two diodes ( 20 A, 20 B) are connected between the first electrode ( 14 A) and ground.

4. A converter according to claim 2, wherein the transmission / reception line (T / R) with the second electrode ( 14 C) is connected;
the two diodes ( 20 A, 20 B) are connected between the first and second electrodes ( 14 A, 14 C); and
at least one of the plurality of intermediate electrodes ( 14 B) is connected to ground.

5. The converter of claim 4, wherein the converter further comprises the following features:
an amplifier ( 38 ) connected to the first and second electrodes and having an output;
in a second pair of diodes ( 40 ), the diodes with opposite polarity being connected in parallel, and connected to the first electrode and the output; and
the transmit / receive line (T / R) being connected to the output.

6. A transducer according to claim 2, wherein the piezoelectric arrangement further comprises an electrically insulating layer ( 22 ) between two adjacent intermediate electrodes ( 14 B, 14 D);
the first and second electrodes ( 14 A, 14 C) are connected to ground; and
the transmit / receive line (T / R) is connected to one of the two adjacent electrodes ( 14 B, 14 D).

7. A transducer according to claim 2, wherein the piezoelectric arrangement further comprises a semi-conductive layer ( 24 ) which forms a diode array between the two adjacent intermediate electrodes ( 14 B, 14 D);
the first and second electrodes ( 14 A, 14 C) are connected to ground; and
the transmit / receive line (T / R) is connected to one of the two adjacent electrodes ( 14 B, 14 D).

8. The converter of claim 1, further comprising:
a transformer ( 26 ) with a first winding, a second winding and a center tap,
wherein the transmitter ( 26 ) is connected to the piezoelectric arrangement and is effective to increase the frequency selectivity.

9. The converter of claim 8, wherein the first and second electrodes are connected to the first winding of the transformer;
one of the intermediate electrodes is connected to ground;
the first switch is connected between the transmit / receive line (T / R) and the center tap; and
a second changeover switch ( 28 ) is provided, which is connected between the transmit / receive line (T / R) and the second turn.

10. The converter of claim 8, wherein the transformer has a 1: 1 turn ratio;
the first winding is connected between the transmit / receive line (T / R) and the first electrode;
the second winding is connected between the second electrode and ground such that a current flowing from the second electrode flows through the transformer f in the same direction as a current flowing into the first electrode;
a second switch ( 34 ) is provided which is connected to one of the intermediate electrodes, the second switch being operative to switch off one of the intermediate electrodes during transmission and to switch on during reception; and
two diode pairs ( 36 A, 36 B) are provided, each of the diode pair having the opposite polarity being connected in parallel, and each being connected to a corresponding one of the first and second windings.

11. Paint the piezoelectric transducer, which is effective at at least two different frequencies, with the following characteristics:
a piezoelectric arrangement with a first and a second electrode ( 14 A, 14 C), the arrangement also having the following features:
a series of N piezoelectric layers ( 12 _x ), the series extending from the first electrode ( 14 A) to the second electrode ( 14 C), and
a plurality of intermediate electrodes ( 14 B), each of which is disposed between adjacent piezoelectric layers, and
two transmission / reception lines (T / R ₁ , T / R ₂ ) which are electrically connected to the piezoelectric arrangement, the two transmission / reception lines (T / R ₁ , T / R ₂ ) each carrying signals through the piezoelectric arrangement in a first operating mode, in which the piezoelectric layers oscillate symmetrically, and in a second operating mode, in which the piezoelectric layers ( 12 ) oscillate anti-symmetrically.

12. Converter, which is effective at a first and a second frequency, with the following features:
a plurality of M arrangements, each with a first and a second electrode ( 14 A, 14 C), each arrangement also having the following features:
a series of N electro-acoustic layers ( 12 _x ), the series extending from the first electrode ( 14 A) to the second electrode ( 14 C), and
a plurality of intermediate electrodes ( 14 B), each of which is arranged between adjacent electro-acoustic layers,
M transmit / receive lines (T / R), each line being electrically connected to a corresponding one of the plurality of M devices, a first portion of the plurality of M devices operating in a first mode of operation in which the piezoelectric layers oscillate symmetrically while on second section of the majority of the M arrangements operates in a second operating mode in which the piezoelectric layers ( 12 ) oscillate anti-symmetrically.

13. A transducer according to claim 12, wherein the series of the N electro-acoustic layers ( 12 _x ) is a series of N piezoelectric layers.

14. The transducer of claim 12, wherein at least one of the series of N electro-acoustic layers ( 12 _x ) is a layer made of an electrostrictive material.